建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)面臨的新形勢(shì)及課程體系改革建議*

于國(guó)清 呂靜 劉洪芝 （上海理工大學(xué)）

一 建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程發(fā)展歷史與概況

在我國(guó)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程從創(chuàng)辦到發(fā)展有幾個(gè)重要階段，專業(yè)名稱也經(jīng)歷過幾次重要的改變：

（1）供熱、供煤氣及通風(fēng)。早在1950年前后，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東北工學(xué)院、清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)陸續(xù)開始創(chuàng)辦本專業(yè)，當(dāng)時(shí)專業(yè)名稱為“供熱、供煤氣及通風(fēng)”，此后幾年里，天津大學(xué)、太原工學(xué)院、重慶建筑工程學(xué)院、湖南大學(xué)也先后正式設(shè)立了本專業(yè)[1]。本專業(yè)的主體內(nèi)容是采暖與通風(fēng)，簡(jiǎn)稱“暖通”，這個(gè)簡(jiǎn)稱一致沿用到現(xiàn)在。

（2）供熱通風(fēng)與空調(diào)工程。隨著專業(yè)的發(fā)展，逐漸增加了一些空氣調(diào)節(jié)方面的內(nèi)容。在1980年前后，專業(yè)名稱改為“供熱通風(fēng)與空調(diào)工程”，空調(diào)成為這個(gè)專業(yè)最重要的內(nèi)容之一。

（3）建筑環(huán)境與設(shè)備工程。1998年專業(yè)名稱調(diào)整為“建筑環(huán)境與設(shè)備工程”，簡(jiǎn)稱“建環(huán)”，其初衷是將專業(yè)范圍從暖通空調(diào)拓展到建筑電氣、建筑給水排水、消防等機(jī)電設(shè)備領(lǐng)域。但實(shí)際上由于從教的師資仍是原來的供熱通風(fēng)空調(diào)工程人員，而電氣、給排水、消防這些領(lǐng)域也早已有其他專業(yè)的人從事，這次拓展實(shí)際上并沒有達(dá)到預(yù)期的效果，本專業(yè)的核心業(yè)務(wù)仍然是原來的暖通空調(diào)內(nèi)容。

（4）建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程。本專業(yè)的基本任務(wù)是營(yíng)造一個(gè)合適的熱濕和潔凈環(huán)境，滿足人們生活或者工藝生產(chǎn)的需要，而為了營(yíng)造這樣一個(gè)環(huán)境，往往要消耗大量的能源。現(xiàn)已知建筑能耗為全國(guó)總能耗的30%，而在建筑能耗中，供暖通風(fēng)空調(diào)方面的能耗又占主要比例，為50%左右。因此本專業(yè)的另一項(xiàng)重要任務(wù)是提高建筑能源利用效率，降低建筑能耗，因此2012年，專業(yè)名稱調(diào)整為現(xiàn)在的“建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程”，仍簡(jiǎn)稱“建環(huán)”。如今，全國(guó)近200 所學(xué)校開設(shè)了此專業(yè)，在教學(xué)及人才培養(yǎng)方面已形成較大的規(guī)模[1]。

二 建筑用能面臨的新形勢(shì)

1 低碳的可再生能源應(yīng)用大幅增加

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，各行各業(yè)對(duì)于能源的需求快速增長(zhǎng)。中國(guó)擁有比較豐富的煤炭能源資源，石油和天然氣的資源都相對(duì)有限。在利用煤炭能源發(fā)電和供熱時(shí)，能源資源枯竭、環(huán)境污染等問題日漸突出，因此必須尋找既供應(yīng)充足又減少環(huán)境污染的清潔能源，實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型。在2015年巴黎氣候變化大會(huì)上通過的《巴黎協(xié)定》，針對(duì)2020年后的氣候變化行動(dòng)作出應(yīng)對(duì)安排，中國(guó)參與其中并積極推動(dòng)《巴黎協(xié)定》的通過，能源消耗必須轉(zhuǎn)型為低碳的可再生能源來應(yīng)對(duì)全球氣候變化，中國(guó)可再生能源使用比例必須大幅提升，太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉吹玫礁笠?guī)模的開發(fā)和利用，減少對(duì)煤炭、石油和天然氣的依賴[2]。

2 電力與建筑的聯(lián)系更加緊密

（1）供熱熱源越來越依靠熱泵。在中國(guó)北方城市，原本寒冷的冬季主要采用燃煤鍋爐進(jìn)行供熱，然而大量燃煤伴隨產(chǎn)生霧霾等環(huán)境污染問題，為了減少燃煤產(chǎn)生的污染、改善空氣質(zhì)量，必須大力發(fā)展清潔供暖，供暖是建環(huán)專業(yè)的核心任務(wù)之一。國(guó)家提出并大力倡導(dǎo)煤改電，也就是利用電動(dòng)熱泵供熱取代燃煤鍋爐過熱，建筑供暖能耗由燃煤轉(zhuǎn)變?yōu)楹碾姟?duì)建環(huán)專業(yè)來說，不但制冷機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵需要用電，建筑供暖也用電，建筑與電的使用越發(fā)密不可分。

（2）熱和電的聯(lián)系更加密切。在以往許多火力發(fā)電廠的生產(chǎn)過程中，總有一部分廢熱被丟棄，這是一種極大的能源消耗。熱電聯(lián)產(chǎn)則是熱能和電能聯(lián)合生產(chǎn)的一種高效能源生產(chǎn)方式，發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)可高效利用這些廢熱。原來熱電聯(lián)產(chǎn)電廠冬季采用“以熱定電”，機(jī)組發(fā)電負(fù)荷無法進(jìn)行調(diào)節(jié)，無法進(jìn)行調(diào)峰。吸收式換熱技術(shù)在熱網(wǎng)上的應(yīng)用，使得原來熱電廠的熱能得到更充分的利用。“熱電協(xié)同”模式——增設(shè)大型蓄熱裝置及熱泵的提出可以在不減少供熱量的前提下，大幅提高了發(fā)電調(diào)節(jié)范圍[3]。因此供熱與發(fā)電的關(guān)系更加密切。

（3）汽車用電進(jìn)入建筑。中國(guó)為實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展，近年來積極推動(dòng)新能源汽車的發(fā)展，新能源汽車不同于以往汽車耗油，其能耗形式一般為電能。以往汽車加油時(shí)需要前往當(dāng)?shù)氐募佑驼荆妱?dòng)汽車大多通過小區(qū)或公共建筑停車庫(kù)設(shè)置的充電樁進(jìn)行充電，因此汽車用能也成為建筑用電中重要的一部分，這對(duì)建筑用能將產(chǎn)生深刻影響。

（4）分布式能源與建筑一體化。分布式能源主要以天然氣或可再生能源如太陽能和風(fēng)能為一次能源，進(jìn)行發(fā)電或者熱電聯(lián)產(chǎn)，在中國(guó)現(xiàn)處于發(fā)展階段。可再生能源促進(jìn)了分布式能源的發(fā)展，分布式能源是建立在用戶端的能源供應(yīng)的方式，比較典型的是太陽能利用與建筑一體化。這樣建筑既消耗能源，也可生產(chǎn)能源，與原來的單純消耗能源發(fā)生了巨大花邊，發(fā)展分布式能源技術(shù)在中國(guó)是必然的能源發(fā)展方向。

（5）建筑用電直流化與柔性用電。目前建筑的用電器具越來越多的使用直流電。光伏發(fā)電、蓄熱電池也是直流，以及目前的直流特高壓輸電技術(shù)，因此從電力的生產(chǎn)、輸配和終端用電，直流技術(shù)應(yīng)用越來越多，從直流到直流可以減少直流到交流的變換環(huán)節(jié)，效率更高，使用更方便。因此直流建筑的概念呼之欲出。隨著電動(dòng)汽車使用比例的逐漸增大，大量的充電樁使得配電容量加大，城市配電系統(tǒng)變得極不穩(wěn)定，大比例采用柔性用電模式成為解決問題的核心。柔性用電不同于以往的供需強(qiáng)耦合的剛性用電，能夠使得建筑供電更具有可靠性，主要解決辦法是考慮到建筑自身負(fù)荷可調(diào)節(jié)，在建筑中布置安裝蓄電池系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)建筑用電直流化，用電模式變?yōu)槿嵝杂秒娔Ｊ健４罅Πl(fā)展柔性用電模式能夠改變城市配電結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電的穩(wěn)定性需求，是中國(guó)現(xiàn)階段的能源改革目標(biāo)。

3 能源的儲(chǔ)存越來越重要

在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展過程中，人類在不同時(shí)期對(duì)于能源的需求是不同的，即使是在一天里面，夜晚和白天所需的能源也有不同，此時(shí)能源若是保持相同供應(yīng)量，則會(huì)和需求不一致，產(chǎn)生供需矛盾，導(dǎo)致能源在一定程度上的浪費(fèi)，為了節(jié)約能源、平衡供需，能源的儲(chǔ)存顯得越發(fā)重要。能源的儲(chǔ)存主要包括冷、熱、電的蓄存，蓄冷的主要形式有冰蓄冷、水蓄冷等，其原理是利用峰谷電價(jià)差來實(shí)現(xiàn)節(jié)約電費(fèi)；較成熟的蓄熱設(shè)備有電蓄熱鍋爐、蒸汽蓄熱器等，蓄熱材料如相變蓄熱、吸附蓄熱材料也在多個(gè)領(lǐng)域得到使用；而電是無法以電能的形式保存的，可轉(zhuǎn)換為更便利經(jīng)濟(jì)且可存儲(chǔ)的其他能進(jìn)行儲(chǔ)存。

4 能源的綜合與能源互聯(lián)網(wǎng)

美國(guó)學(xué)者杰里米·里夫金在2011年首次提出了一種新的能源體系—能源互聯(lián)網(wǎng)；我國(guó)也在積極倡議探討構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)，推動(dòng)以清潔和綠色方式滿足全球電力需求。能源互聯(lián)網(wǎng)可理解為以智能電網(wǎng)為基礎(chǔ)，運(yùn)用電子互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)將分布式能源、天然氣網(wǎng)絡(luò)、石油網(wǎng)絡(luò)等互相連接起來，形成一個(gè)龐大的互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。中國(guó)大力發(fā)展能源綜合利用，并推動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)的形成以面對(duì)能源轉(zhuǎn)型的新形勢(shì)。

三 課程體系改革建議

1 增加電能的相關(guān)課程

制冷機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵需要用電，熱能來源也由鍋爐為主變?yōu)殡妱?dòng)熱泵為主，電熱供暖，太陽能光伏發(fā)電，甚至汽車充電也進(jìn)入建筑用能之中，電力在建筑中將發(fā)揮更大的作用，建環(huán)專業(yè)與電的關(guān)系會(huì)更加緊密。除了已有的電工學(xué)基礎(chǔ)課程外，應(yīng)大力增強(qiáng)對(duì)電能的學(xué)習(xí)，從電能的產(chǎn)生、輸配、儲(chǔ)存到應(yīng)用，掌握電能在整個(gè)系統(tǒng)調(diào)控運(yùn)行過程中的特性，學(xué)習(xí)發(fā)電廠、變電所相關(guān)知識(shí)，了解微型電網(wǎng)、智能電網(wǎng)、柔性用電系統(tǒng)等熱門內(nèi)容。制冷機(jī)、熱泵、風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備的用電特性。

2 增加可再生能源的相關(guān)課程

中國(guó)的可再生能源資源豐富，可再生能源的發(fā)展是節(jié)約能源、減少環(huán)境污染的基本途徑，相關(guān)知識(shí)應(yīng)納入建環(huán)課程體系之中。可再生能源的課程應(yīng)包括：

（1）太陽能。太陽能課程包括：太陽能的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)；太陽能的收集方式和設(shè)備原理、儲(chǔ)存形式；太陽能應(yīng)用于制冷和供熱的原理和技術(shù)特點(diǎn)；太陽能光伏、光熱發(fā)電技術(shù)原理及其發(fā)電系統(tǒng)特性；主動(dòng)式和被動(dòng)式太陽能技術(shù)。

（2）風(fēng)能。風(fēng)能課程包括：風(fēng)能的形成、特性及資源分布；風(fēng)力發(fā)電的工作原理和設(shè)備形式；風(fēng)力發(fā)電特性。

（3）生物質(zhì)能。生物質(zhì)能課程包括：生物質(zhì)能的種類、特性及資源的產(chǎn)生過程；生物質(zhì)能的應(yīng)用途徑；生物質(zhì)能發(fā)電流程和特點(diǎn)；生物質(zhì)能使用經(jīng)濟(jì)性分析。

3 儲(chǔ)能的相關(guān)課程

能源變得逐漸緊缺，能量的儲(chǔ)存也變得至關(guān)重要，儲(chǔ)能主要有蓄冷、蓄熱和蓄電等方式。

（1）蓄熱蓄冷技術(shù)。常見的蓄熱方式、蓄熱材料的性能要求及分類（顯熱蓄熱、相變蓄熱技術(shù)、化學(xué)蓄熱技術(shù)）、典型的蓄熱材料及應(yīng)用、蓄熱裝置的特性，蓄熱系統(tǒng)的流程、設(shè)備選擇與運(yùn)行控制、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析。

（2）蓄電技術(shù)。常見的電能儲(chǔ)存方式、蓄電池裝置的特性，蓄電系統(tǒng)的流程、設(shè)備選擇與運(yùn)行控制、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析。

4 能源綜合利用與能源互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)課程

能源互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，這方面的知識(shí)是對(duì)發(fā)電、蓄能、輸配、用能等方面的融會(huì)貫通，因此除了學(xué)習(xí)電能、可再生能源、儲(chǔ)能的相關(guān)課程外，還應(yīng)增加能源互聯(lián)的基本概念及其原理和方法，增加分布式能源、熱電聯(lián)產(chǎn)、熱電協(xié)同的相關(guān)知識(shí)。了解能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展背景、定義、功能、特征和架構(gòu)；建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)需要的關(guān)鍵技術(shù)，包括能源基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)鍵技術(shù)、信息通信關(guān)鍵技術(shù)、電力電子技術(shù)和平臺(tái)技術(shù)。智慧能源的定義、功能、特征和體系結(jié)構(gòu)；能源總量控制、能源生產(chǎn)和消費(fèi)的智能配置的原則和方法。